一种超低钌载量多孔阴极材料及其制备方法与应用

本发明涉及钌基催化剂，特别涉及一种超低钌载量多孔阴极材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、氯代有机物是一类重要的化工生产原料和有机合成中间体，广泛应用于电子、制革、医药等行业。然而，大部分氯代有机物具有“致癌、致畸、致突变”效应且难以生物降解，对生态环境和人体健康造成巨大威胁。

2、目前，去除污水中氯代有机物的技术主要包括物理吸附、生物降解、高级氧化、化学还原和电催化还原等，其中电催化还原技术具有无需化学药剂投加、反应条件温和无二次污染的优点，被视为“环境友好型”处理技术。电催化还原技术的核心基础是阴极材料。尽管许多研究将钯基阴极用于电催化还原氯代有机物并取得了较好的处理效果，然而钯储量少，价格昂贵，显著提高了污染物处理成本。

3、钌基催化剂具有和钯基催化剂相似的性质。此外，钌的价格比钯便宜近10倍，可大幅度降低电极成本。然而，目前已报道的钌基催化剂金属负载量大(约为2mg/cm2)，钌原子利用率低。用于电催化还原氯代有机物的钌基阴极材料特别是超低钌载量阴极材料未见报道。因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超低钌载量多孔阴极材料及其制备方法与应用，旨在解决现有钌基催化剂金属负载量大、钌原子利用率低的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其中，包括步骤：

4、将钴盐和有机配体溶于混合溶剂中，制得混合溶液，所述有机配体为对苯二甲酸或2,6-萘二羧酸，所述混合溶剂由n,n-二甲基甲酰胺、水和乙醇混合组成；

5、将经过预处理的电极基体置于所述混合溶液中，反应后制得多孔阴极材料；

6、将所述多孔阴极材料置于钌盐溶液中，反应后制得超低钌载量多孔阴极材料。

7、所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其中，所述钴盐为氯化钴、硝酸钴和硫酸钴中的一种或多种；所述钴盐的浓度为0.01-0.5mol/l。

8、所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其中，所述有机配体的浓度为0.01-0.5mol/l。

9、所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其中，所述混合溶剂中，n,n-二甲基甲酰胺、水和乙醇的体积比为1：(0.01-0.1)：(0.01-0.1)。

10、所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其中，所述电极基体为泡沫镍、泡沫钛或者碳毡。

11、所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其中，将经过预处理的电极基体置于所述混合溶液中，反应后制得多孔阴极材料的步骤中，反应温度为100-150℃，反应时间为5-24h。

12、所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其中，所述钌盐溶液由溶剂以及溶解在溶剂中的钌盐组成，所述钌盐为氯化钌、硝酸钌和硫酸钌中的一种或多种；所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺或乙醇；所述钌盐溶液的浓度为0.001-0.01mol/l。

13、所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其中，将所述多孔阴极材料置于钌盐溶液中，反应后制得超低钌载量多孔阴极材料的步骤中，反应温度为：80-120℃，反应时间为12-48h。

14、一种超低钌载量多孔阴极材料，其中，采用本发明所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法制得。

15、一种超低钌载量多孔阴极材料的应用，其中，将本发明所述的超低钌载量多孔阴极材料用于电催化还原氯代有机污染物。

16、有益效果：本发明首先通过原位自组装在电极基底上生长寸均一且高度分散的多孔钴基纳米片，显著增加电极活性面积，促进氯代有机物到催化活性位点的传质，同时为钌原子负载提供大量位点；接着通过离子交换法实现钌原子在多孔钴基纳米片的负载，实现了钌在纳米片上原子级分散，大幅度提升了钌的原子利用率。本发明通过多孔纳米结构和原子分散钌活性位点耦合，实现了超低钌载量条件下氯代有机物高还原活性，大幅度降低了电极成本，在氯代有机物污染治理领域有较大的应用前景。

技术特征：

1.一种超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其特征在于，所述钴盐为氯化钴、硝酸钴和硫酸钴中的一种或多种；所述钴盐的浓度为0.01-0.5mol/l。

3.根据权利要求1所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其特征在于，所述有机配体的浓度为0.01-0.5mol/l。

4.根据权利要求1所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其特征在于，所述混合溶剂中，n,n-二甲基甲酰胺、水和乙醇的体积比为1：(0.01-0.1)：(0.01-0.1)。

5.根据权利要求1所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其特征在于，所述电极基体为泡沫镍、泡沫钛或者碳毡。

6.根据权利要求1所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其特征在于，将经过预处理的电极基体置于所述混合溶液中，反应后制得多孔阴极材料的步骤中，反应温度为100-150℃，反应时间为5-24h。

7.根据权利要求1所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其特征在于，所述钌盐溶液由溶剂以及溶解在溶剂中的钌盐组成，所述钌盐为氯化钌、硝酸钌和硫酸钌中的一种或多种；所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺或乙醇；所述钌盐溶液的浓度为0.001-0.01mol/l。

8.根据权利要求1所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法，其特征在于，将所述多孔阴极材料置于钌盐溶液中，反应后制得超低钌载量多孔阴极材料的步骤中，反应温度为：80-120℃，反应时间为12-48h。

9.一种超低钌载量多孔阴极材料，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述超低钌载量多孔阴极材料的制备方法制得。

10.一种超低钌载量多孔阴极材料的应用，其特征在于，将权利要求9所述的超低钌载量多孔阴极材料用于电催化还原氯代有机污染物。

技术总结
本发明涉及钌基催化剂技术领域，具体为一种超低钌载量多孔阴极材料及其制备方法与应用，方法包括步骤：将钴盐和有机配体溶于混合溶剂中，制得混合溶液，所述有机配体为对苯二甲酸或2,6‑萘二羧酸，所述混合溶剂由N,N‑二甲基甲酰胺、水和乙醇混合组成；将经过预处理的电极基体置于所述混合溶液中，反应后制得多孔阴极材料；将所述多孔阴极材料置于钌盐溶液中，反应后制得超低钌载量多孔阴极材料。本发明通过多孔纳米结构和原子分散钌活性位点耦合，实现了超低钌载量条件下氯代有机物高还原活性，大幅度提升了钌的原子利用率。

技术研发人员：王颖,徐斌成,李风亭
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15